Ficha Catalográfica
Catalogação na fonte pela Biblioteca do IBAM
Manual de prédios eficientes em energia elétrica / Cláudia Barroso Krause...[et al.]; José Luiz Pitanga Maia, coordenador. – Rio de Janeiro: IBAM/ELETROBRÁS/PROCEL, 2002.
230 p.; 28 cm
1. Energia Elétrica. I. Instituto Brasileiro de Administração Municipal. Desenvolvimento Urbano e Meio Ambiente. II. ELETROBRÁS. Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica.
338.39 (CDD 15.ed.)
IBAM – Instituto Brasileiro de Administração Municipal
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Presidente da ELETROBRÁS
Altino Ventura Filho
Diretor de Projetos Especiais da ELETROBRÁS, Secretário-Executivo do PROCEL
Saulo José Nascimento Cisneiros
Chefe do Departamento de Desenvolvimento de Projetos Especiais do PROCEL
Antônio Varejão de Godoy EQUIPE TÉCNICA
ELETROBRÁS/PROCEL Gerente de Projetos:
Márcia de Andrade Sena Souza Maria Cristina Paschoal
Solange Nogueira Puentes Santos
Superintendente Geral
Mara Biasi Ferrari Pinto
Superintendente de Desenvolvimento Urbano e Meio Ambiente, Coordenadora do Escritório Técnico da Rede Cidades Eficientes
Ana Lúcia Nadalutti La Rovere
IBAM
Coordenação do Projeto
José Luiz Pitanga Maia
Elaboração
Claudia Barroso Krause
Joaquim Augusto Pinto Rodrigues José Luiz Pitanga Maia
Luiz Felipe Lacerda Pacheco Marcio Américo
Pierre Teixeira
Apoio Técnico
Equipe da Rede Cidades Eficientes
Luciana Hamada
Orlando Zampiroli Martini Rafael Marques Barbosa Sabrina Monteiro
Apoio Administrativo
Denise Correia Pacheco
Ilustrações
Paula Garcia Wettstein
Coordenação Editorial
Sandra Mager
Revisão Técnica
Sergio Rodrigues Bahia
Revisão Ortográfica
Cláudia Ajúz
É
com satisfação que a ELETROBRÁS, através do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica – PROCEL, em parceria com o Instituto Brasileiro de Administração Municipal – IBAM, apresenta o “Manual de Prédios Eficientes em Energia Elétrica”, elaborado para auxiliar os administradores de prédios públicos na obtenção de resultados que tragam redução no consumo energético e de custos.A missão do PROCEL, de promover a conservação e o uso eficiente de energia elétrica, diminuindo os desperdícios e impactos sobre o meio ambiente, passa obrigatoriamente pela área de edificações, uma vez que esta engloba quase todos os usos finais e permeia os outros setores de consumo. Além disso, as edificações apresentam grande potencial de economia de energia, particularmente em conse-qüência de importantes desenvolvimentos de novos materiais, equipamentos, conceitos arquitetônicos e tecnologia construtiva vinculados à otimização energética.
No que diz respeito às edificações públicas, as estatísticas mostram que estas representam aproxi-madamente 3,2% do consumo global de energia elétrica do país, o correspondente a 10.600.000 kWh no ano de 2000, considerando os níveis federal, estadual e municipal. Estima-se que o potencial de economia existente seja da ordem de 2.100.000 kWh por ano, equivalente à energia necessária para abastecer uma cidade de 3,5 milhões de habitantes.
Ciente da importância do setor de prédios públicos no contexto da conservação de energia, o PROCEL desenvolve, desde 1994, diversas ações para viabilizar sua eficientização. Em 1997, essas foram congregadas em um programa único de âmbito nacional, o PNEPP - Programa Nacional de Eficientização de Prédios Públicos. A estratégia do PNEPP baseia-se na implantação de projetos-piloto com potencial de replicação em larga escala, permitindo identificar previamente as barreiras financeiras e tecnológicas existentes e desenvolver meios adequados para capacitação dos agentes envolvidos.
Numa linha mais ampla de trabalho, o PROCEL também tem incentivado a implantação de projetos eficientes em prédios públicos no âmbito do seu Programa de Gestão Energética Municipal – GEM. A GEM consiste em dar caráter integrado às ações municipais em eficiência energética nos diversos setores e garantir a continuidade dos empreendimentos, incluindo ações relativas à gestão e ao contro-le dos dispêndios com energia nos centros de consumo municipais.
Entretanto, ainda há muito a ser feito para a difusão da idéia e o despertar da percepção dos Muni-cípios brasileiros sobre os benefícios e o retorno financeiro da implantação de prédios eficientes em energia elétrica. Mesmo na Rede Cidades Eficientes em Energia Elétrica – RCE, um canal de comunica-ção permanente apoiado pela ELETROBRÁS/PROCEL e o IBAM por meio do qual Municípios trocam informações e experiências sobre eficiência energética, são tímidos os resultados obtidos em edificações. Um dos motivos verificados é a falta de materiais informativos sobre as técnicas de redução e gerenciamento do uso da energia elétrica em prédios públicos.
O “Manual de Prédios Eficientes em Energia Elétrica” vem preencher essa lacuna e, ao mesmo tempo, incentivar os Municípios para a gestão da energia e o melhor conhecimento das suas instala-ções. Dessa forma, o PROCEL tem a certeza de estar contribuindo para ampliar a abordagem do tema e para melhorar a eficiência na administração municipal.
A
Rede Cidades Eficientes em Energia Elétrica – RCE, iniciativa da ELETROBRÁS/PROCEL e do IBAM, com o objetivo de conscientizar administradores e planejadores municipais sobre a importân-cia da eficiênimportân-cia energética, vem orientando os Municípios sobre os impactos causados pela recente crise de energia elétrica. A experiência da RCE tem comprovado que é possível eliminar o desperdício no consumo de energia nas áreas de atuação e/ou pertencentes às Prefeituras Municipais.Os administradores públicos municipais, ao adotarem medidas para enfrentar a situação, adquiri-ram novos hábitos de consumo de energia elétrica e, com isso, tornaadquiri-ram-se mais sensibilizados para o seu uso eficiente e mais conscientes sobre seu impacto na economia municipal.
Com a promulgação da Lei no 10.295, que dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso
Racional de Energia, através do estabelecimento de níveis máximos de consumo ou mínimos de efici-ência para o funcionamento de máquinas e aparelhos elétricos, de indicadores para os diversos tipos de edificações e de requisitos básicos para a arquitetura bioclimática, as Prefeituras Municipais terão que se adaptar e fiscalizar o cumprimento dos novos índices através da normalização dos procedimen-tos construtivos nos seus Códigos de Obras e Edificações e Cadernos de Encargos para Edificações.
Logo, com a intenção de fortalecer o conhecimento dos técnicos municipais no âmbito da Gestão Energética Municipal e complementando a coleção de manuais técnicos lançados no quadro da par-ceria ELETROBRÁS-PROCEL / IBAM, foi concebido este Manual de Prédios Eficientes em Energia Elétrica, que traz as técnicas de conservação de energia aplicáveis em prédios públicos. Ele apresenta comentários sobre as características gerais de funcionamento, a teoria de cada tecnologia e os princi-pais focos de desperdício de energia, bem como as medidas indicativas para a sua eliminação. Traz também um capítulo sobre conforto ambiental e arquitetura, em que são feitas recomendações projetuais, de dispositivos e componentes construtivos que devem ser adequados ao tipo de uso, à realidade climática e socioeconômica de cada Município.
O IBAM, que neste ano comemora os seus primeiros 50 anos, e a Rede Cidades Eficientes têm a satisfação de oferecer mais esta publicação com a finalidade de contribuir para o aperfeiçoamento da atuação das administrações municipais sob o ponto de vista do planejamento energético.
1.
ASPECTOS DE CONFORTO AMBIENTAL EM PROJETOS DE
ARQUITETURA DE PRÉDIOS PÚBLICOS
11
1.1 ARQUITETURA E CONFORTO AMBIENTAL 12
1.2 A IMPORTÂNCIA DA QUESTÃO CULTURAL E CLIMÁTICA: O FATOR DECISIVO 15
1.3 CONSIDERAÇÕES BIOCLIMÁTICAS: OS DOIS GRUPOS PRINCIPAIS DE EDIFICAÇÕES 16
1.3.1 As edificações com opção permanente pela climatização: refrigeração ou aquecimento 16
1.3.2 As edificações com opção pela climatização natural ou eventual 17
2.
GERAÇÃO DE ENERGIA
29
2.1 CO-GERAÇÃO 30
2.1.1 Teoria básica 30
2.1.2 Tipos de co-geração 32
2.1.3 Utilização 33
2.1.4 Viabilidade econômica e benefícios 33
2.2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA 34
3.
DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA
37
3.1 TRANSFORMADORES 38
3.1.1 Tipos de perdas associados aos transformadores 40
3.1.2 Localização dos transformadores 47
3.1.3 Óleos Isolantes 48
3.1.4 Transformador com núcleo de material amorfo 48
3.2 EFEITO JOULE 50
3.2.1 Tipos de perdas associados ao Efeito Joule 51
3.3 CAPACITORES 55
3.3.1 Fator de potência 57
3.4 QUADROS DE DISTRIBUIÇÃO E PROTEÇÃO DE CIRCUITOS 66
3.4.1 Cabos elétricos 68
3.4.2 Equilíbrio de fases 69
3.4.3 Sistemas de proteção 69
3.5 QUALIDADE DA ENERGIA 70
3.5.1 Problemas de falta de qualidade da energia 70
4.1.2 Descrição de um projeto eficiente de iluminação 93
4.1.3 Revitalização de um sistema de iluminação 94
4.1.4 Aplicação e análise da revitalização 95
4.1.5 Método de cálculo luminotécnico 97
4.2 AR CONDICIONADO 102
4.2.1 Medidas de conservação de energia 103
4.2.2 Softwares relacionados à estimativa de carga térmica e simulação predial 117
4.3 MOTORES ELÉTRICOS E SISTEMAS DE BOMBEAMENTO 117
4.3.1 Motores elétricos 118
4.3.2 Sistemas de Bombeamento 129
4.4 TRANSPORTE VERTICAL 131
4.4.1 Princípio de funcionamento 131
4.4.2 Metodologia de cálculo 132
4.4.3 Recomendações de economia de energia 133
4.5 EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS EM GERAL 134
4.5.1 Microcomputadores 134
4.5.2 Equipamentos de escritório: monitor, CPU, scanner e impressora 135
4.5.3 Copiadoras 135
4.5.4 Condicionador de ar 135
4.5.5 Refrigerador / Freezer 136
4.5.6 Televisor 137
4.5.7 Ferro de passar roupas 137
4.5.8 Bombas de água 138
4.5.9 Chuveiro elétrico 138
4.5.10 Boiler Elétrico 138
4.5.11 Máquina de Lavar (roupa e louça) 139
4.5.12 Máquina de Secar Roupa 139
4.6 ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS 141
4.6.1 Aquecedores solares 142
4.6.2 Energia Solar Fotovoltaica 144
5.1.2 Curva de carga 154
5.1.3 Diagnóstico energético 155
5.1.4 Estabelecimento de um programa de manutenção preventiva 156
5.2. ESTRUTURA TARIFÁRIA 156
5.2.1 Grupos “A” e “B” 156
5.2.2 Medição de energia elétrica 160
5.2.3 Fator de carga 163
5.3 TIPOS DE CONTRATO 171
5.3.1 Consumidores de Energia 171
5.4 MUDANÇAS DE HÁBITOS 187
5.4.1 Criação da CICE 187
5.4.2 Elaboração de curso/treinamento em uso eficiente de energia 190
5.4.3 Renovando as Atitudes 191
5.5 CONTROLADORES DE DEMANDA 192
5.6 MERCADO FUTURO DE ENERGIA 194
5.6.1 Entidades do novo mercado 194
5.6.2 Avanços do novo modelo 196
6.
PRIORIZAÇÃO E AVALIAÇÃO
TÉCNICO-ECONÔMICA-FINANCEIRA DE PROJETOS
199
6.1 PRIORIZAÇÃO DE PROJETOS 200
6.1.1 Critérios para seleção de projetos 200
6.1.2 Recomendações 204
6.2 ANÁLISE FINANCEIRA 204
6.2.1 Conceitos sobre Matemática Financeira 204
6.2.2 Principais métodos de Análise Econômica de Projetos 207
7.2 Noções em segurança do trabalho 219
7.2.1 Aplicação dos princípios básicos da segurança nos levantamentos de campo 220
7.2.2 Ferramentas e equipamentos usados nos levantamentos de campo 221
7.2.3 Usos, riscos, inspeção e conservação de ferramentas e equipamentos 222
U
tilizar de maneira correta a energia elétrica, tratando-a com responsabilidade e sem desperdí-cios, constitui um novo parâmetro a ser considerado no exercício da cidadania. As ferramentas a serem utilizadas devem estar alicerçadas basicamente em dois pontos: no uso de equipamentos mais eficientes e na mudança de hábitos.Pode-se dizer que a energia é um bem essencial utilizado em todos os setores ou áreas da socieda-de. Em certos setores produtivos, a energia representa não somente um insumo essencial mas, tam-bém, se constitui como um dos elementos de maior peso na estrutura de custos.
Há mais de duas décadas, quando ocorreu a primeira “crise” mundial do petróleo, várias nações se mobilizaram com o objetivo de combater o desperdício de energia elétrica. Desde então o Brasil praticamente dobrou sua população e muito pouco foi efetivamente realizado, visto que não foi con-solidada uma nova política energética com bases duradouras, seja no aspecto dos insumos energéticos, seja no da conservação destes insumos.
Ao se discutir a questão do setor elétrico brasileiro, verifica-se um momento de característica inte-ressante. Os processos de privatização do setor têm procurado criar uma solução imediata para a crise energética existente, porém milagres não existem quando se fala em tempo de execução de obras, por mais investimentos e recursos que estejam disponíveis. Em um envolvimento mais próximo com os técnicos do setor elétrico é fácil identificar o descompasso existente entre a oferta existente e a cres-cente demanda.
Não obstante, a energia está na origem de uma parte importante dos impactos das atividades huma-nas sobre o meio ambiente. A relação otimizada entre a energia e o meio ambiente se insere em uma das maiores preocupações mundiais sobre a evolução do planeta e das responsabilidades da nossa geração no uso correto desta relação como um legado de vida saudável e harmoniosa para as futuras gerações.
O aumento da eficiência energética e a conseqüente redução no ritmo de crescimento do consumo de energia permitirão ganhar tempo para poder decidir amanhã diante de uma gama mais ampla de tecnologias. Além disso, muito provavelmente, a redução da intensidade de consumo energético é hoje a maneira mais eficaz de lutar contra a poluição, de preservar o meio ambiente e de evitar a destruição do patrimônio natural.
A Conservação de Energia é um conceito abrangente adotado para caracterizar as ações que te-nham como objetivo a melhoria na eficiência da utilização da energia. A diversidade de formas de energia utilizadas numa instalação consumidora, a complexidade das diferentes transformações que podem intervir na sua utilização e os altos custos associados ao ciclo de sua produção/utilização, justificam a necessidade da implantação de programas de gerenciamento do uso da energia para se obter a pretendida economia.
Este manual trata especificamente de orientações e do uso de técnicas de conservação de energia mais comuns para serem aplicadas em prédios públicos. Serão comentadas as características gerais de funcionamento, a teoria envolvida em cada tecnologia, os principais focos de desperdício de energia, bem como as medidas para eliminação destes focos.
ASPECTOS DE CONFORTO AMBIENTAL
EM PROJETOS DE ARQUITETURA
1.1 ARQUITETURA E CONFORTO AMBIENTAL
O presente capítulo vem complementar, com sugestões projetuais, o mesmo tema que já foi objeto de outros Manuais publicados pelo Convênio entre a ELETROBRÁS-PROCEL e o IBAM, prin-cipalmente o Manual para Elaboração de Planos Municipais de Gestão da Energia Elétrica,
Planeja-mento Urbano e o Uso Eficiente da Energia Elétrica e o Modelo para Elaboração de Código de Obras.
O conjunto destes guias auxilia na construção de um Município com qualidade ambiental e
dentro dos preceitos de desenvolvimento sustentável1. É imprescindível a leitura anterior das
publi-cações citadas para que o tema esteja bem compreendido, pois, com freqüência, serão feitas referên-cias a elas.
Sombra projetada por edificações mais altas Camada de cobertura urbana
Figura 1.1 - Exemplos de consequências do crescimento das cidades.
Fonte: guia técnico “Planejamento Urbano e o Uso Eficiente da Energia Elétrica”, 1999.
Após a introdução do conceito de Conforto Ambiental em Arquitetura, serão apresentadas suges-tões de ordem projetual, de dispositivos e componentes construtivos que devem ser adequados ao tipo de uso, à realidade climática e socioeconômica do Município em questão.
Conforto ambiental em projeto de arquitetura significa, em linhas básicas, o atendimento de algu-mas das necessidades orgânicas – basicamente acústicas, higrotérmicas2, visuais e de qualidade do ar
– dos usuários previstos pelo Programa de Arquitetura em suas horas de ocupação, através da com-preensão do clima externo e de decisões arquitetônicas compatíveis. Recentemente vem se agregan-do a questão da sustentabilidade a seu conceito, o que se traduz em novas escolhas de procedimen-tos e materiais que resultem no menor impacto ambiental possível.
1 Em termos simples, o termo “sustentável” significa satisfazer as necessidades da geração atual sem comprometer a capacida-de das futuras gerações na satisfação capacida-de suas próprias necessidacapacida-des.
2 O conforto higrotérmico é obtido sempre que se consegue manter, através das trocas higrotérmicas – através dos processos de radiação, condução, convecção e evaporação –- o equilíbrio entre o corpo (em torno de 36,7oC) e o entorno.
Conforto Ambiental, no âmbito da eficiência energética, incorpora um atributo a mais; quando obtido, gera um ambiente saudável ao uso e uma fatura de energia elétrica mínima necessária para complementar os momentos em que o microclima externo não oferece as condições necessárias de iluminação, temperatura, qualidade do ar, umidade ou silêncio.
O conforto ambiental em projeto de arquitetura deve ser pensado desde o traçado urbanístico inicial quando de sua evolução e, principalmente, quando da renovação urbana. É neste escopo – do planejamento do uso do solo – que são “otimizados” os instrumentos geoclimáticos locais que possibilitarão ao arquiteto, posteriormente em seu projeto, já limitado às divisas de seu lote, o pleno aproveitamento das vantagens de um clima particular ou a proteção nos momentos menos privilegi-ados para as atividades previstas.
3 Taxas de ocupação muito altas, excesso de pavimentação nas áreas de circulação ou mesmo a concentração de construções tornam o solo impermeável, provocando o aumento das temperaturas e facilitando as inundações na ocorrência de chuvas intensas. Edificações com gabarito ou altura muito elevado também podem interferir no Conforto Ambiental quando projetam sombra nas edificações vizinhas mais baixas Na hora de definir gabaritos na Lei de Uso do Solo é imprescindível a lembrança de que volumes edificados constituem tanto “barreiras” para os ventos, reduzindo sua velocidade e dificultando a renovação do ar no interior das quadras, como, dependendo da configuração espacial, podem canalizar os ventos imprimido-lhes outras Aproveitamento das massas de água existentes Escolha de sítios favoráveis
Figura 1.2 - Exemplos de aproveitamento da topografia local e escolha do traçado urbanístico. Fonte: guia técnico “Planejamento Urbano e Uso Eficiente da Energia Elétrica”, 1999.
De igual importância, e complementar, é a decisão a ser tomada pela Câmara de Vereadores sobre a legislação urbanística3. Suas diretrizes permitem definir alturas, taxas de ocupação,
organi-zação interna dos espaços projetáveis, gerindo o acesso à ventilação e à iluminação natural dentro das edificações, garantindo que a modelização do ambiente construído, por construir ou a modifi-car, integre-se de forma sustentada ao meio natural, gerando um todo global saudável ao pleno desenvolvimento das atividades humanas da comunidade.
Figura 1.3 - Requisitos climáticos locais para loteamento.
Fonte: guia técnico “Planejamento Urbano e Uso Eficiente da Energia Elétrica”, 1999.
4 O projeto da edificação é a combinação otimizada de orçamento, legislação edilícia e urbana, desejos/sonhos do cliente, disponibilidades geoclimáticas, restrições das demais disciplinas envolvidas e tempo, pelo arquiteto.
Figura 1.4 -Exemplo de afastamentos das divisas do lote.
Fonte: guia técnico “Planejamento Urbano e Uso Eficiente da Energia Elétrica”, 1999.
Do ponto de vista estrito do apoio ao projeto, a pesquisa em Conforto Ambiental nas edificações tem procurado imprimir uma nova atitude frente à arquitetura. Compreendendo que o arquiteto gera atributos diferenciados e específicos4 na realização de um projeto de arquitetura, hoje se
procu-ra preservar a liberdade de escolha, mas associando-a a sua responsabilidade ambiental. E é neste sentido que são apresentadas, neste capítulo, as diretrizes básicas para as edificações geradas e geridas pelo Poder Público Municipal.
Consideram-se prédios públicos municipais, conforme o Manual para Elaboração de Planos
Mu-nicipais de Gestão de Energia Elétrica, todas as edificações com fatura de energia elétrica pagas pelo
Poder Municipal, podendo ser permanentes ou temporárias, fruto de interesse objetivo específico. Por analogia, prédios públicos estaduais e federais serão aqueles cujas faturas de energia elétrica são pagas pelos Poderes Estadual e Federal, respectivamente.
Embora possam variar segundo o Município, as edificações municipais basicamente podem ser agregadas em função dos setores que representam, ou de acordo com as principais atribuições muni-cipais:
·
as projetadas para o ensino, como creches, escolas de ensino fundamental e médio;·
as dedicadas à cultura e ao lazer, como teatros e salas de música ou anfiteatros;·
as relativas à saúde, como postos de saúde e hospitais;·
as de cunho administrativo, onde se encontram a sede do Poder Público e eventualmente assecretarias ou autarquias específicas.
Dentre estas, dois grandes grupos se destacam: as edificações de pequeno porte, normalmente sem climatização ou com climatização mista, e as de grande porte, com climatização artificial per-manente ou mista.
Todas, sem exceção, devem ter suas diretrizes projetuais adequadas aos princípios de Conforto Ambiental, cuja conseqüência, além da garantia de boa qualidade de atuação às atividades previstas, será a existência de uma fatura de energia elétrica compatível com as mesmas.
Entretanto, a forma de tratamento das primeiras difere em alguns pontos da do segundo grupo. Vale lembrar que, a maior parte das edificações abrigando uma atividade “viva” e, portanto, dinâmica, a utilidade estas diretrizes se aplicará tanto à realização do projeto inicial, que atende à demanda daquele momento, quanto às futuras e, por vezes, necessárias modificações.
1.2 A IMPORTÂNCIA DA QUESTÃO CULTURAL E CLIMÁTICA: O
FATOR DECISIVO
Um projeto de arquitetura é sempre único ou, ao menos, impossível de ser uniformizado e tradu-zido em formas ou plantas estanques, gerais e aplicáveis indiscriminadamente.
Sendo um invólucro que conjuga a atividade humana frente a um ambiente exterior, a forma como esta atividade se desenvolve é essencial para o desempenho da edificação, da mesma forma que a compreensão do clima particular de um local.
Considerando a variedade brasileira no tocante ao clima e à cultura, verificamos que serão produ-zidas tantas decisões arquitetônicas quantas forem as combinações possíveis no nosso cenário, o que é positivo e desejável, pois enriquece nosso patrimônio e permite a afirmação das identidades regio-nais.
ou com a restrição vinda do entorno próximo (insolação, verão quente, inverno frio, chuvas esporá-dicas ou ventos frios sazonais, ruídos) tanto mais fáceis serão as boas decisões arquitetônicas a serem tomadas, tão mais afinada com o clima e o usuário ficará a edificação, havendo menor risco de impacto negativo no solo urbano.
Sob o aspecto de eficiência energética pode-se ainda acrescentar uma diretriz básica, comum a todos os projetos, qual seja, a definição preliminar, em função do estudo do clima e da ocupação, da forma de condicionamento de ar da edificação.
1.3 CONSIDERAÇÕES BIOCLIMÁTICAS: OS DOIS GRUPOS
PRINCIPAIS DE EDIFICAÇÕES
Em função da opção de climatização, o projeto de edificações pode ser classificado como:
·
condicionamento de ar natural;·
via sistema permanente de climatização artificial;·
misto (ora natural, ora artificial).Em função desta opção existem diretrizes diferenciadas em relação ao projeto, bem como uma maior ou menor dependência das definições do projeto ao tipo de clima exterior.
1.3.1.
AS EDIFICAÇÕES COM OPÇÃO PERMANENTE PELA CLIMATIZAÇÃO:
REFRIGERAÇÃO OU AQUECIMENTO
Quando se pensa na edificação pública com opção global pela climatização permanente artificial desde o início – teatros, alguns edifícios administrativos, por exemplo – se assume que a fonte de conforto térmico está sendo gerada no interior da edificação por uma incompatibilidade das neces-sidades dos usuários com a disponibilidade climática.
Neste caso, a diretriz mais importante do projeto relaciona-se à proteção desta edificação contra o clima exterior. Caso contrário, a energia elétrica consumida para a geração do frio/calor será superior à necessária em função das perdas provocadas por infiltrações de vãos de janelas, esquadrias, pela porosidade das paredes externas e coberturas, ou mesmo, no verão, pelo enorme ganho, pela radiação solar, através das superfícies envidraçadas não sombreadas, que o sistema é incapaz de retirar.
As recomendações para ao uso de tecnologias e equipamentos eficientes estão mencionadas no Capítulo 4 – Usos Finais, nos itens sobre Iluminação e Ar-Condicionado.
5 Trata-se de uma recomendação de projeto mais delicada, onde é necessário orientar e projetar as superfícies envidraçadas para que captem a radiação solar direta, fonte de calor, mas mantendo, por exemplo, vidros duplos ou postigos externos, de forma a reduzir as perdas pela diferença de temperatura existente.
Em termos de decisões projetuais a escolha deve recair sobre:
·
O estudo da volumetria da edificação: quanto mais compacta a zona climatizada, tanto menores serão suas superfícies de troca com o exterior, tanto mais eficiente energeticamente será o condicionamento mecânico do ar.
·
A proteção externa do envelope construtivo quanto à incidência dos raios solares no caso dosclimas quentes, seu uso cuidadoso nos de clima frio5 e o isolamento constante de vidros e
fachadas opacas quanto à perda de temperatura, pela troca com a temperatura exterior. Ou seja, sombreamento externo, isolamento das fachadas e coberturas, escolha cuidadosa da ori entação das aberturas.
·
Uma vez protegidas, e dependendo do uso específico, as fachadas devem ser projetadas comocaptadoras de luz natural em quantidade suficiente para uma boa penetração nos ambientes limítrofes.
·
Esta decisão, associada a um projeto de interiores que preveja cores claras para o teto e asparedes, permitirá um maior aproveitamento interno da fonte natural de iluminação, permitindo que o sistema artificial de iluminação possa ser projetado em circuitos paralelos à fachada e proporcionando uma manipulação energeticamente eficiente por parte do usuário, conforme ilustrado na Figura 1.5.
Figura 1.5 – Exemplo de integração de iluminação natural, sombreamento e integração com o projeto de iluminação artificial complementar.
1.3.2.
AS EDIFICAÇÕES COM OPÇÃO PELA CLIMATIZAÇÃO NATURAL OU
EVENTUAL
As edificações públicas municipais, em sua maioria, tendem a não ter um sistema de condiciona-mento mecânico permanente de ar.
Dependendo do tipo de clima envolvido, são edificações com climatização natural e alguns am-bientes com climatização do tipo mista, onde o uso do ar-condicionado / calefação acontecerá setorial (sala de repouso de crianças, salas de informática) e esporadicamente, por decisão do usuário motivado por questões de conforto higrotérmico e, eventualmente, acústico.
E quando se trabalha com edificação não climatizada, ou eventualmente climatizada, creches, postos de saúde, escolas, delegacias etc., a situação – a abordagem projetual – não é a mesma do caso anterior.
Aqui, a maior parte dos ambientes não necessitando de condicionamento de ar, a busca pela fonte de conforto ambiental deve ser prioritariamente conduzida para o exterior.
De fato, dependendo da situação geoclimática do Município, a fonte de conforto por vezes é encontrada fora, nos dias amenos, no vento que refresca no verão ou no sol que aquece no inverno. Entretanto, há momentos do dia ou do ano, em que o clima torna-se inóspito às atividades e é necessário ou corrigir seus efeitos construtivamente, ou compensá-los com o uso do condicionamen-to mecânico de ar ocasional.
Ou seja, o papel do projetista aqui é, mais do que nunca, determinar antecipadamente6 – quando
e em que sentido – aquecimento ou refrigeração – a climatização pode ser necessária e, em seguida, trabalhar o envelope construtivo para que se obtenha o máximo de eficiência do clima e do eventual uso do sistema de climatização.
O grande desafio no âmbito da eficiência energética consiste, portanto, em garantir, via definição projetual, um ambiente interno o mais ameno possível durante o período de ocupação – em geral diurno – de forma a retardar, ou mesmo evitar, que o usuário inicie o processo de climatização artificial7 e que, se necessário, este processo seja o mais econômico possível8.
Neste panorama, o que este capítulo propõe é a aplicação de um conjunto de pequenas atitudes projetuais bioclimáticas conhecidas para o projeto de implantação da edificação, visando otimizar o envelope construtivo em função do uso e da disponibilidade climática, reduzir o consumo de apare-lhos de iluminação e ventilação e, especificamente, evitar/ retardar a entrada do sistema de climatização artificial de uma construção quando não preparada para o uso de climatização artificial.
Em termos de projeto, deve-se sempre permitir a entrada gerenciada do clima através do aprovei-tamento da insolação, iluminação e ventilação naturalmente disponíveis. Esta entrada deverá, no entanto, ser feita com o cuidado de garantir uma redução das cargas térmicas supérfluas incidentes sobre o envelope construtivo, por meio do estudo adequado da orientação, sombreamento, escolha de materiais, e da redução das cargas térmicas internas (sobretudo com um bom projeto de ilumina-ção).
PONDERAÇÕES BIOCLIMÁTICAS PARA EDIFICAÇÕES COM CLIMATIZAÇÃO
NATURAL
O conjunto de sugestões visa à otimização de aspectos do envelope construtivo, como implantação, volumetria, sombreamento e layout interno, diante das condições climáticas locais mais preocupantes para o conforto ambiental do usuário. Cada tipo de uso específico pode requerer um detalhamento especial das condições esperadas de conforto ambiental e uma solução específica de projeto.
7 Uma vez iniciado o processo, o tempo de uso do equipamento de refrigeração termina por se dissociar da situação climática externa, normalmente variando de acordo com a duração da atividade no ambiente.
8 Podem existir algumas agravantes à plena realização deste processo em Municípios muito densamente construídos. No caso de alguns tecidos urbanos muito densos ou de crescimento desordenado, devido à ineficiência de ordem urbanística e projetual, observa-se uma real demanda induzida por opções inadequadas ao clima e ao uso no que toca à implantação, ao projeto espacial e às especificações.
Etapa 1: Diagnóstico preliminar do projeto em função do clima e da ocupação
Para esta etapa é necessário o conhecimento do clima da região, ou seja, minimamente, os dados sazonais – verão e inverno – para temperatura, umidade, ventos (direção e intensidade) e insolação.
Os dados podem sempre ser obtidos na Prefeitura e no site do INMET – Instituto Nacional de Meteorologia, órgão do Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (www.inmet.gov.br).
A partir daí, o estudo pode ser realizado, por exemplo, através da plotagem de seus dados no diagrama bioclimático de Givoni, representado na Figura 1.6, que sugere estratégias bioclimáticas em função do clima predominante em um Município. O diagrama elenca estratégias básicas de projeto em função da situação de temperatura e umidade de um dado local.
O diagrama bioclimático de Givoni pode ser obtido através do programa Analysis 2.0, no
O diagrama bioclimático de Givoni é construído sobre o diagrama psicrométrico que relaciona a temperatura do ar e a umidade relativa. Obtendo os valores destas variáveis para os principais períodos do ano climático da localidade, o arquiteto poderá ter indicações fundamentais sobre a estratégia bioclimática a ser adotada no desenho do edifício. Os dados de temperatura e umidade relativa do ar exterior podem ser plotados diretamente sobre a carta, onde são identificadas 12 zonas de atuação.
Exemplo 1.1
O resultado para uma creche ou um posto de saúde com horário de atendimento de 7h às 13h, em um clima semelhante ao do Município do Rio de Janeiro, seria um estudo do tipo demonstrado a seguir:
Em seguida devem ser verificadas as necessidades esperadas das atividades desenvolvidas em termos de acústica, iluminação, higrotermia e segurança. O resultado deve levar a uma lista de especificações ou cuidados especiais.
Neste exemplo, a análise do diagrama conduz às seguintes soluções:
·
Incrementar a ventilação (Zona 2), ou seja, uma implantação a barlavento, facilitando o acesso dos ventos, com pouca profundidade, o que facilita a permeabilidade e a utiliza-ção de esquadrias que garantam a ventilautiliza-ção mesmo em condições de chuva, na direutiliza-ção ou não do usuário.·
Contemplar o uso do ar-condicionado (Zona 5), porém nos meses mais críticos (neste caso fevereiro), e de uma forma pontual, não para todos os cômodos e nem para todas as horas (por exemplo: secretaria).·
A Zona 7 (Massa Térmica e Aquecimento Solar) indica que nos meses de inverno a incidência de raios solares pode ser conveniente para aquecer ambientes entre 7 e 8 horas da manhã. As esquadrias deverão permitir uma renovação mais higiênica nesta ocasião. A partir deste estágio, as diretrizes do ponto de vista térmico e o perfil ambiental principal do projeto estando estabelecidos, as grandes decisões de projeto podem se iniciar sempre no sentido de privilegiar ou proteger a troca com o ambiente externo.Etapa 2: A Implantação e o tratamento do entorno próximo
Trata-se da escolha do lote, do aproveitamento do terreno e da definição de ocupação do entorno da edificação.
A partir do que se estabeleceu como diretriz na etapa anterior – por exemplo, proteger ou aproveitar os raios do sol, o vento de determinada estação ou a fonte de ruído externa existente –, esta etapa trabalha a questão do loteamento ou da escolha do lote, da ocupação do terreno e do estudo do revestimento do piso do entorno, de forma a privilegiar a orientação solar adequada, os ventos
Figura 1.7 – Lotes desalinhados favorecem a ventilação das quadras e edificações internas.
Figura 1.8 – Exemplo de implantação da edificação, com inclinação de no máximo a 45o da direção principal do vento.
Embora pouco utilizado, o paisagismo é, na questão energética, um elemento importante, pois a utilização de árvores (trabalhando com a diversidade de troncos e copas) permite o sombreamento seletivo, e o revestimento do solo pode reduzir a temperatura do ar próximo às aberturas, melhoran-do o microclima interno das edificações.
Finalmente, um cuidado especial na delimitação do terreno. O muro é o primeiro obstáculo à chegada dos ventos em casa. Estes podem ser necessários só para marcar o lote ou realmente propor-cionarem uma privacidade e segurança. Para cada caso e em cada clima uma solução se habilita. Havendo necessidade de um muro opaco, é interessante o afastamento da edificação do mesmo para permitir o acesso das aberturas aos ventos porventura existentes ou um estudo da volumetria da edificação, elevando-a, por exemplo. A seguir estão ilustrados alguns exemplos na Figura 1.9.
RECOMENDAÇÕES
·
O uso de hera em fachadas excessivamente ensolaradas e sem chance de proteção por beirais e brises é uma solução eficiente, pois a cobertura vegetal, além de constituir um exce-lente isolante térmico, serve para melhorar o microclima interno.·
Em climas quente/seco procure colocar um espelho d’água (piscina, lago, chafariz) na “chegada” dos ventos. Isto fará com que o ar de dentro do ambiente se umidifique e abaixe de temperatura gerando um microclima mais saudável e evitando, por vezes, o uso de ar-condi-cionado. O exemplo está ilustrado na Figura 1.10.Figura 1.10 – Exemplo de umidificação do conforto térmico da edificação.
·
O tratamento do entorno próximo é essencial para qualificar o clima interno. Pisos em cimento e pedra tanto retêm o calor do sol e o transmitem à edificação através do aquecimen-to do ar no enaquecimen-torno, como podem refletir os raios solares diretamente para a fachada e as janelas da mesma conforme ilustrado na Figura 1.11.·
O paisagismo é um recurso essencial do bioclimatismo, além de gerenciar os ventos inde-sejáveis pode administrar a insolação.·
Procure compreender e tirar melhor proveito do entorno próximo durante a definição dos ambientes internos. Por exemplo, identificando as fontes de ruídos do entorno define-se a melhor implantação de ambientes mais sensíveis ao som. Com o uso do diagrama solar é possível observar o entorno e tirar partido das orientações naturalmente sombreadas no pro-jeto (fachadas em zonas de sombra externa provocadas pela presença de montanhas ou edificações de grande altura).Etapa 3: A distribuição da volumetria em função do entorno
O estudo da volumetria de uma edificação, como foi visto no item sobre edificações climatizadas, é o instrumento maior para gerenciar o volume interno e, sobretudo, a área de superfície externa de troca térmica e lumínica com o exterior.
São resultados deste estudo, e implicam diferentes conseqüências em termos de eficiência energé-tica, o tamanho e a orientação de cada fachada, o afastamento ou não da edificação do chão ou, ainda, a definição dos planos de telhado.
Aqui se definem os bons planos de captação solar para a colocação de superfícies envidraçadas9
em Municípios muito frios, por exemplo, ou para sistemas de aquecimento solar de água em todos os climas, ou, ainda, em climas quentes, a gerência do aproveitamento da iluminação natural com o sombreamento da radiação solar direta.
Uma vez determinada a função de cada fachada – captação de ventos para redução do calor interno, proteção da insolação, do ruído – fica fácil a escolha da melhor orientação para colocar janelas, protegidas ou não, a opção pelo material e cor do revestimento da mesma.
As esquadrias, por sua vez, devem atender ao princípio de deixar à disposição do usuário a esco-lha de posições diante das seguintes situações; ventilação natural com e sem luz, com e sem chuva, iluminação natural com ventilação reduzida para os momentos frios.
RECOMENDAÇÕES
·
Procure manter uma ventilação mínima permeando a edificação. Isto significa fazer uso de pé-direito de altura variada e de forro ao longo da edificação, além de prever entradas e saídas nas fachadas externas.·
O detalhamento das esquadrias (forma e local) só poderá ser realizado após a compreen-são do entorno e da atividade a ser exercida na edificação.Etapa 4: A Cobertura
A cobertura, sobretudo em edificações térreas, pode ser a responsável pela maior parte do sobreaquecimento. Em geral delegada a um segundo plano na hora do projeto, ocupa uma função importante tanto na obtenção do conforto ambiental interno quanto na possibilidade de aproveita-mento para aqueciaproveita-mento solar por estar exposta à radiação solar o dia todo.
Em geral, a pior cobertura para todos os climas é aquela constituída de laje horizontal de concreto com betume (ou piche) por cima, sem forro.
Como não tem sombra nenhuma para protegê-la ao longo do dia, ela recebe e acumula calor o dia todo e em seguida irradia para fora e para dentro. A telha de fibrocimento não fica atrás, pois, sobretudo em função de sua cor e sua espessura, tampouco constitui uma proteção à radiação solar direta para a edificação.
O melhor telhado talvez seja o tradicional de várias águas, pois quando um lado está recebendo sol, outro não está, e o melhor material a telha de barro colonial, pois cada telha de cima (capa) faz sombra para a de baixo (calha) e de quebra deixa sair o ar quente de baixo, conforme ilustrado na Figura 1.12.
Figura 1.12 – Comparação entre a telha de barro colonial e a laje, quanto à radiação solar.
Nos climas quentes, a idéia do forro ventilado sempre oferece uma forma de arrefecimento deste calor vindo da cobertura.
RECOMENDAÇÕES
·
O uso de telhas de vidro associado a uma abertura do forro pode propiciar um nível de iluminação em ambientes de passagem ou banheiros bastante interessante e, ao mesmo tem-po, criar um ambiente confortável e eficiente do ponto de vista energético.·
Procure orientar a área de telhado para o norte, inclinada na latitude de seu Município, a fim de possibilitar a coleta da radiação solar para aquecimento de água. Não se esqueça de deixar sobre a cumeeira um espaço de altura suficiente para que o boiler seja alimentado por um termossifão. O sistema citado está representado na Figura 1.13.Figura 1.13 – Sistema de coletor solar para aquecimento de água utilizando o termossifão.
Etapa 5: A distribuição dos ambientes internos, a inclusão das necessidades visuais, acústicas
e de segurança
Finalmente, a última etapa, porém não menos importante, diz respeito à organização e á disposi-ção dos ambientes internos em fundisposi-ção do diagnóstico externo do entorno climático e da ocupadisposi-ção descrito na Etapa 1.
Quais ambientes serão passíveis de ser colocados nas piores orientações? Como tratá-los? Como permitir a distribuição de ventilação dentro da casa? São questões a serem verificadas à medida que o projeto se define.
Nesta etapa deve-se considerar toda a literatura exposta no manual sobre otimização da ilumina-ção artificial, incluindo a localizailumina-ção e altura dos pontos de luz e lâmpadas, a utilidade da luminária, número de pontos, tipo de lâmpadas segundo o uso.
Recomendações
·
Em climas quentes e úmidos, procure colocar as salas de aula e os consultórios voltados para a direção do vento (no máximo a 450 de sua direção principal) e para leste, o que garante um acesso justo e higiênico ao sol, evitando também o sobreaquecimento conforme a Figura 1.14.Figura 1.14 – Exemplo de distribuição dos ambientes internos, voltada para o Leste.
·
Da mesma forma projete o local da caixa de areia e o recreio de crianças usando o diagra-ma solar, de fordiagra-ma a evitar sombras sobre os mesmos, sobretudo no inverno, conforme ilustra-do na Figura 1.15.A geração de energia é tema que extrapola os limites de abordagem da eficiência energética em prédios públicos. Nos sistemas de energia elétrica comumente encontrados no país, a fase da geração de energia está quase sempre associada a usinas hidrelétricas. Contudo, a escala na qual se desenvol-vem as análises do presente Manual permite que este tema venha ser tratado sob dois enfoques específicos, quais sejam:
·
Co-geração.·
Geração distribuída.2.1 CO-GERAÇÃO
Pode-se definir co-geração como sendo a geração simultânea e de forma seqüenciada de energia mecânica e térmica a partir de uma única fonte obtida pela queima de um combustível ou mistura de combustíveis.
Até meados do século XX a co-geração chegou a ser muito usada nas indústrias, perdendo depois a competitividade para a eletricidade produzida pelas concessionárias nas grandes centrais geradoras com ganhos de escala. Assim, a co-geração ficou limitada a sistemas isola-dos (plataformas submarinas) e indústrias com lixos combustíveis (canavieira e de papel e celulose, por exemplo).
Nos últimos 15 anos, porém, um novo modelo do setor elétrico voltou a estimular a pro-dução elétrica local que fosse mais eficiente e de baixo custo, levando ao aperfeiçoamento da tecnologia da co-geração, inclusive para pequeno porte.
A necessidade de reduzir emissões de CO2 também incentivou a adoção deste processo eficiente. Hoje, na Holanda e Finlândia, a co-geração já representa mais de 40% da potência instalada.
2.1.1. TEORIA BÁSICA
Por mais eficiente que seja um gerador termelétrico, a maior parte da energia contida no combus-tível usado para seu acionamento é transformada em calor e perdida para o meio ambiente.
Trata-se de uma limitação física que independe do tipo de combustível (diesel, gás natural, carvão etc.) ou do motor (à explosão, turbina, a gás ou a vapor etc.). Por esta razão, no máximo 40% da energia do combustível do diesel usado em um gerador podem ser transformados em energia elétri-ca.
Figura 2.1 – Eficiência do combustível na geração de energia.
Como muitas indústrias e prédios comerciais necessitam de calor (vapor ou água quente), foi desenvolvida uma tecnologia denominada co-geração na qual o calor produzido na geração elétrica é usado no processo produtivo sob a forma de vapor.
A vantagem desta solução é que o consumidor economiza o combustível que necessitaria para produzir o calor do processo. A eficiência energética é, desta forma, bem mais elevada por tornar útil até 85% da energia do combustível.
O inconveniente da co-geração é que o calor só pode ser usado perto do equipamento, o que limita estas instalações a unidades relativamente pequenas se comparadas com os geradores das concessionárias.
2.1.2. TIPOS DE CO-GERAÇÃO
Os tipos de co-geração aplicados são conhecidos como:
·
Topping Cycle.·
Bottoming Cycle.·
Ciclo Combinado.No tipo Topping Cycle o energético é utilizado direto para produção de energia mecânica em turbinas ou motores.
No tipo Bottoming Cycle o energético utilizado produz primeiro vapor para que este produza energia mecânica em turbinas ou motores.
Ciclo Combinado é o ciclo termodinâmico formado pelo acoplamento de um ciclo de turbina a gás e um ciclo de turbina a vapor convencionais. Isto é possível devido às distintas faixas de tempe-ratura em que os dois ciclos operam.
2.1.3. UTILIZAÇÃO
Na maioria das instalações a energia mecânica derivada de turbinas a vapor, turbinas a gás ou motores alternativos de combustão interna é utilizada para acionar geradores elétricos. Em determi-nadas instalações é comum o acionamento de grandes compressores de processo e outros equipa-mentos.
No setor industrial os sistemas de co-geração mais antigos geram energia elétrica ou mecânica com turbinas a vapor, utilizando o vapor de escape (contrapressão) em processos industriais e siste-mas de aquecimento. O vapor é gerado em caldeiras projetadas para o combustível disponível. Atualmente, com a disponibilidade de gás natural, as turbinas a gás e motores alternativos de com-bustão interna cobrem grande parte das aplicações em sistemas de co-geração. A energia residual contida nos gases de escape dessas máquinas é transformada em vapor em caldeiras de recuperação de calor, podendo também ser utilizada diretamente em processos de secagem e aquecimento. A queima suplementar, com queimadores de dutos aproveitando o oxigênio dos gases de escape, per-mite o aumento da geração de vapor, adequando-se a um maior número de processos.
Conferindo maior abrangência à aplicação da co-geração, destaca-se a geração de água gelada obtida através da solução de brometo de lítio por sistemas de refrigeração por absorção, que podem ter vapor, água quente ou queima direta de GLP como fluido motriz.
2.1.4. VIABILIDADE ECONÔMICA E BENEFÍCIOS
Em princípio, a viabilidade econômica de um projeto de co-geração depende, em adição às características da própria unidade, da tarifa de energia elétrica e do custo do gás natural (GN) para o consumidor. Especificamente, a viabilidade de cada instalação é determinada no projeto conceitual onde se realizam estudos de fluxo de caixa considerando os fatores.
O Governo Federal tem atuado no sentido de incrementar a participação do GN na matriz energética brasileira (gestão 1999-2002). O gasoduto Brasil-Bolívia (ano 2000) já é uma realidade. Como o gás natural é um combustível de alta qualidade e, portanto, deve ser usado em aplicações com o máximo aproveitamento, o seu uso em co-geração tem sido amplamen-te abordado e receberá incentivos do Governo e das distribuidoras.
Os benefícios da co-geração são alcançados quando se computam a redução dos custos operacionais, o ganho em confiabilidade e o aumento da oferta de energia elétrica na rede. A energia pode ser gerada e consumida em local e hora diferentes, proporcionando benefícios diretos a empresas localizadas próximas a diversos pontos da rede de distribuição.
2.2. GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
Geração Distribuída (GD) é o termo que se usa para a geração elétrica junto ou próxima do(s) consumidor(es), com potências normalmente iguais ou inferiores a 30MW. O conceito envolve, ainda, equipamentos de medida, controle e comando que articulam a operação dos geradores e o eventual controle de cargas (ligamento/desligamento) para que estas se adaptem à oferta de energia.
A Geração Distribuída inclui:
·
co-geradores;·
geradores de emergência;·
geradores para operação no horário de ponta;·
painéis fotovoltaicos;·
pequenas centrais hidrelétricas - PCH’s.A Geração Distribuída tem vantagem sobre a geração central, pois economiza investimentos em transmissão e reduz as perdas nestes sistemas melhorando a estabilidade do serviço de energia elétrica.
A geração elétrica perto do consumidor chegou a ser a regra na primeira metade do século, quando a energia industrial era praticamente toda gerada localmente.
A partir da década de 1940, no entanto, a geração em centrais de grande porte ficou mais barata, reduzindo o interesse dos consumidores pela GD e, como conseqüência, o desenvolvi-mento tecnológico para incentivar esse tipo de geração também parou.
As crises do petróleo introduziram fatores perturbadores que mudaram irreversivelmente este panorama, revelando a importância, por exemplo, da economia de escopo obtida na co-geração. A partir da década de 1990, a reforma do setor elétrico brasileiro permitiu a compe-tição no serviço de energia, criando a concorrência e estimulando todos os potenciais elétri-cos com custos competitivos.
Com o fim do monopólio da geração elétrica, em meados dos anos de 1980, o desenvolvi-mento de tecnologias voltou a ser incentivado com visíveis resultados na redução de custos.
Figura 2.4 – Tamanho e custo médio de geração das termelétricas
O crescimento da GD nos próximos anos parece inexorável e alguns autores fazem uma analogia com o crescimento do microcomputador em relação aos grandes computadores centrais (“main
frames”).
Com a GD torna-se possível obter maior eficiência energética. Há uma tendência em se trabalhar para derrubar eventuais imperfeições do mercado que dificultam o desenvolvimento desta forma de geração elétrica.
3.1 TRANSFORMADORES
O transformador é um equipamento que transfere energia elétrica do seu circuito primário para o secundário mantendo a mesma freqüência e normalmente variando os valores de corrente e de tensão. Nesta transferência ocorrem perdas que são decorrentes da construção do transformador (Figura 3.1) e da forma e regime de operação.
Figura 3.1 -Transformador
Um transformador possui dois enrolamentos com as seguintes atribuições: o enrolamento do pri-mário recebe a energia fornecida pela rede e o enrolamento do secundário, que repassa esta energia para o sistema de distribuição subtraindo as perdas. A Figura 3.2 a seguir apresenta um circuito magnético com esta representação.
Figura 3.3 – Diagrama de energia e perdas em um transformador.
Os transformadores possuem uma placa de identificação contendo suas características e os princi-pais valores nominais. A Figura 3.4 a seguir apresenta um exemplo de placa.
3.1.1. TIPOS DE PERDAS ASSOCIADOS AOS TRANSFORMADORES
Os três tipos de perdas associados aos transformadores são:
·
Perdas no ferro.·
Perdas no cobre.·
Perdas em transformadores ligados em paralelo.PERDAS NO FERRO
As perdas relacionadas à construção dos transformadores são conhecidas como perdas no ferro. Elas são estabelecidas pelo fluxo magnético no circuito do transformador.
As perdas no ferro (perdas no núcleo) independem da carga que está sendo demandada ao trans-formador e ocorrem sempre que o equipamento é ligado. São perdas no circuito magnético do equipamento. Estas perdas são constantes e cada transformador tem a sua em função das caracterís-ticas construtivas do equipamento.
Nos dados de placa está indicado o valor percentual da impedância do transformador que repre-senta a perda total relativa à sua potência nominal em kVA (ver tabela 3.1).
O desligamento do transformador nos períodos em que ele não esteja sendo solicitado seria uma forma de eliminar estas perdas, já que elas estão presentes a partir do momento em que ele é ligado. Em muitos casos, é possível tomar esta providência. Caso a unidade consumidora possua mais de um transformador em suas instalações, pode-se concentrar as cargas de iluminação e outras que necessi-tam permanecer ligadas no período da noite e com isso desligar um transformador neste período.
Como forma de avaliar o potencial de economia de energia com a eliminação desta perda, torna-se necessário que torna-se verifique o valor da potência nominal dos transformadores existentes na instala-ção. Esta informação está contida na placa do equipamento. A Tabela 3.1 a seguir apresenta os valores referenciais de perdas no ferro para diferentes potências de transformador.
Uma vez que a instalação possua dois transformadores, podendo concentrar as cargas que neces-sitam ficar ligadas à noite em apenas um deles, ou a instalação não possua nenhuma carga que opere à noite, é possível programar o desligamento do transformador neste período. E caso a instalação funcione apenas nos dias de semana, esta medida pode ser estendida nos fins de semana.
As perdas no ferro são provocadas por:
·
Correntes parasitas conhecidas como correntes de Foucault: uma massa metálica, quandosub-metida a uma variação de fluxo magnético gera uma força eletromotriz (E) que resulta em correntes elétricas no seu interior provocando perdas de potência. Estas perdas são transformadas em calor gerado no interior do núcleo de ferro do transformador.
RECOMENDAÇÃO
Para se diminuir estas perdas com a corrente de Foucault, utilizam-se núcleos laminados formados por chapas de ferro-silício de pequena espessura separadas com uma fina camada de material isolante.
·
Perdas por histerese magnética: os materiais ferromagnéticos possuem uma estrutura molecularque se parece com minúsculos ímãs que têm um pólo norte N e um pólo sul S. Ao submeter estes materiais a um campo magnético, os minúsculos ímãs procuram alinhar-se com o campo magné-tico resultando num campo magnémagné-tico maior que o produzido pela bobina. A Figura 3.5 a seguir apresenta este fenômeno.
Figura 3.5 - Fenômeno da Histerese
Os materiais ferromagnéticos são passíveis de magnetização em função do realinhamento dos imãs moleculares após a aplicação de um campo magnético (como o gerado por um indutor ou o primário do transformador). Este processo consome energia, e, ao se aplicar um campo variável, o material tenta acompanhá-lo, sofrendo sucessivas imantações num sentido e no outro causando o aquecimento. Este fenômeno é conhecido por histerese.
Exemplo 3.1
A instalação (A) possui dois transformadores de 300 kVA cada que permanecem ligados durante 24 horas por dia. Durante um levantamento realizado, verificou-se que as cargas que necessitam de um funcionamento contínuo, inclusive nos fins de semana, estão ligadas no transformador 1, estando o transformador 2 operando com cargas que funcionam apenas durante os dias úteis no período compreendido de 7:00h às 19:00h. Desta forma, é possível desligá-lo durante 12 h/dia nos dias de semana e por 24 h/dia nos fins de semana.
Portanto, o número total de horas que o transformador 2 poderá ser desligado durante o mês será:
→ → → →
→12 horas x 22 dias úteis + 24 horas x 8 dias de fins de semana = 456 horas
Verificando-se na tabela 3.1, percebe-se que as perdas no ferro para um transformador de 300 kVA de potência são de 1,12 kW.
Assim sendo, a economia de energia obtida pelo desligamento do transformador 2 será de:
→ → → → →1,12 kW x 456 h = 510,7 kWh/mês
PERDAS NO COBRE
As perdas referentes ao regime de operação dos transformadores são as perdas no cobre. Essas perdas são correspondentes à dissipação de energia por efeito Joule, que é estabelecida pelas corren-tes elétricas que circulam nos enrolamentos do transformador (primário e secundário) e dependem da solicitação de carga elétrica que está sendo demandada ao transformador. As perdas no cobre são proporcionais ao quadrado das correntes elétricas que circulam pelos enrolamentos.
P=Rxl2 onde:
P = potência (W);
R = resistência elétrica dos enrolamentos; I = corrente circulante.
RECOMENDAÇÕES
·
Para se reduzir as perdas no cobre produzidas por um transformador deve-se procurar diminuir o consumo de energia causado pelo efeito Joule. Transformadores operando com sobrecargas estarão com perdas elevadas, uma vez que estas perdas são proporcionais ao quadrado das correntes elétricas que circulam no transformador. O carregamento ideal para um transformador está na faixa de 30 a 70% de sua capacidade nominal.Desta forma, existe mais de um transformador se em uma instalação, deve-se dividir as cargas instaladas de forma uniforme entre eles, a fim de se estabelecer níveis de carregamento ade-quados para ambos. Da mesma forma, se uma instalação está operando com um transforma-dor com carregamento acima de sua capacidade nominal ou perto dela é aconselhável a substituição por um de maior capacidade.
·
Outra ação para se reduzir as perdas nos enrolamentos de um transformador é através do aumento do fator de potência do conjunto de cargas que o mesmo alimenta. A elevação do fator de potência reduz a componente indutiva da corrente, reduzindo o valor da corrente da carga.A redução das perdas no núcleo do transformador através do aumento do fator de potência pode ser obtida através da expressão:
onde cos ϕ1 é o fator de potência antes da correção e cos ϕ2 é o fator de potência depois da correção.
Exemplo 3.2
É apresentada a situação da mesma empresa (A), que possui dois transformadores 1 e 2, ambos de 300kVA. O transformador 1 está com um carregamento de 90% de sua capacidade nominal, enquanto que o transformador 2 está com 50% de sua capacidade nominal.
Desta forma, uma medida para diminuir as perdas no cobre do transformador 1 é através do remanejamento de parte destas cargas para o transformador 2. Lembrando que o transfor-mador 2 é desligado durante a noite nos dias úteis e nos fins de semana, as cargas a serem remanejadas para ele devem as que não ficam ligadas nestes períodos.
A economia de energia obtida pela aplicação desta medida será calculada da seguinte forma:
Transformador 1 :
Potência Nominal: 300kVA Tensão no secundário: 220V
Perdas no ferro: 1,12kW
Perdas totais: 4,48kW
Perdas no cobre: 3,36kW
Cálculo da corrente nominal do transformador 1: In = Pn x 1000
3 x V Onde,
V - tensão no secundário: 220 V Pn - potência nominal: 300 kVA
Desta forma tem-se: In = 300 x 1000 = 787,3 A 3 x 220
Em seguida efetua-se medição com um alicate amperímetro para verificar a corrente no secundário do transformador na atual situação em que ele se encontra: foram feitas várias medições ao longo do dia para obter uma corrente média 1.
Através da medição realizada chegou-se a corrente medida média de: Im1 = 710A Após realizar o remanejamento de algumas cargas para o transformador 2, o carregamento do transformador 1 baixou para 70% de sua capacidade nominal.
Realizando novas medições no secundário do transformador 1, obtém-se a nova corrente média medida que será chamada de Im2.
Através da medição realizada chegou-se a corrente medida média de: Im2 = 550A A redução das perdas (R) obtidas no transformador é dada pela seguinte expressão:
√√√√√
√√√√√
Onde,
Im1 = corrente média medida no secundário do transformador antes do remanejamento de cargas
Im2= corrente média medida no secundário do transformador após o remanejamento de cargas In = corrente nominal do transformador
R = 3,36 x ( 7102 – 5502 ) = 1,09kW 787,32
A energia economizada no transformador 1 será: E = 1,09kW x 730 h = 795,7kWh/mês
Onde,
730 é o número médio de horas em que este transformador permanece ligado durante o mês. Com a implantação desta medida, foi obtida uma redução das perdas no cobre do transfor-mador 1, reduzindo o seu consumo de energia em 795,7kWh/mês.
Porém para se quantificar a real economia de energia obtida com esta medida, deve-se calcular o valor das perdas no transformador 2 que recebeu as cargas remanejadas, a fim de avaliar o valor real da economia.
Transformador 2 :
Potência nominal: 300kVA Tensão no secundário: 220V Perdas no ferro: 1,12kW Perdas totais: 4,48kW Perdas no cobre: 3,36kW
Cálculo da corrente nominal do transformador 2: In = Pn x 1000 onde,
3 x V
V - tensão no secundário = 220V Pn = potência nominal = 300kVA
Desta forma tem-se: In = 300 x 1000 = 787,3 A 3 x 220
Em seguida, efetuou-se medição com um alicate amperímetro da corrente no secundário do transformador na situação atual da mesma forma que foi feita no transformador anterior.
Através da medição realizada chegou-se à corrente medida média de: Im1 = 394A. Após este transformador receber parte das cargas remanejadas, o carregamento do trans-formador 2 aumentou para 70% de sua capacidade nominal.
√√√√√
Através de nova medição realizada no transformador 2 chegou-se à corrente medida mé-dia de: Im2 = 580 A
Agora, calculando a redução das perdas obtidas: R = 3,36 x ( 3942 – 5802 ) = – 0,98kW
787,32
A energia economizada no transformador 2 será: E = – 0,98kW x 264 h = – 258,72kWh/mês*
* O valor negativo indica que houve um aumento nas perdas do transformador 2. Onde,
264 é o número médio de horas em que este transformador permanece ligado no mês. Lembre-se que ele é desligado nos períodos da noite e nos fins de semana.
Agora é possível estabelecer a real economia de energia obtida com a aplicação desta medida, pois se deve abater da redução de consumo obtida no transformador 1 o acréscimo de consumo ocorrido no transformador 2.
Assim, a real economia de energia foi de: 795,7 – 258,72 = 536,98 kWh/mês
PERDAS EM TRANSFORMADORES LIGADOS EM PARALELO
Em uma instalação com transformadores operando em paralelo pode ocorrer outro tipo de perda que é ocasionada pela diferença de transformação dos equipamentos. Neste tipo de ligação, quando a diferença na relação de transformação dos equipamentos for significativa, ocorre uma circulação de corrente entre os transformadores causando perdas.
A utilização de transformadores ligados em paralelo é uma medida muito adotada em instalações. Os transformadores são ligados por um barramento no secundário. A fim de se evitar o surgimento de perdas por circulação de corrente entre os transformadores, deve-se tomar as precauções a seguir:
RECOMENDAÇÕES
· Utilizar transformadores com potências próximas, preferencialmente iguais para melhor aproveitamento das mesmas.
· Utilizar transformadores com impedâncias internas iguais ou próximas. · Ajustar no mesmo valor a relação de transformação dos transformadores.
3.1.2. LOCALIZAÇÃO DOS TRANSFORMADORES
As correntes elevadas possuem um transporte muito oneroso, quer seja pela necessidade da utili-zação de condutores com seções maiores, quer seja pelas perdas por efeito Joule. Desta forma, é recomendável a instalação dos transformadores próximos aos centros de carga das instalações. Esta medida visa proporcionar uma redução no custo dos condutores e a redução das perdas de energia pela dissipação de calor nos mesmos.
A Tabela 3.2 mostra a capacidade de condução de corrente dos condutores mais comumente utilizados e uma indicação do comprimento máximo de um circuito de distribuição de energia para evitar quedas de tensão superiores a 5%.
